[发明专利]一种骨头基生物炭的制备及其在二氧化碳还原中的应用

说明书

本发明公开了一种骨头基生物炭的制备方法及其在催化二氧化碳电化学还原中的应用。一种骨头基生物炭，由如下步骤制备得到：（1）原料预处理：将动物骨头去离子水清洗干净，于烘箱中60℃过夜干燥，干燥后的固体粉碎至1~3cm粒径大小；（2）水热预碳化：将步骤（1）所得的固体粉末和硝酸钙溶液按（2~6）g：50 mL的比例置于水热反应釜中，将反应釜密封后置于烘箱中加热进行（200~280）℃水热预碳化，待反应釜冷却至室温后过滤出固体，清洗，烘干；（3）高温热解：将步骤（2）所得的固体置于管式炉内，于氮气气氛中700~800℃高温热解1~3h，得固体产物，所述的固体产物粉碎至100~150目得到骨头基生物炭。本发明将动物骨头通过水热碳化耦合高温热解制备出富含Ca、P的骨头基生物炭作为二氧化碳电化学还原的催化剂，同时提供了一种动物骨头类生物质材料化和资源化的有效途径。

技术领域

本发明涉及化工环保和生物质废弃物再利用的技术领域，尤其涉及一种骨头基生物炭的制备及其在二氧化碳还原中的应用。

背景技术

二氧化碳是主要的温室气体之一，也是储量丰富、可再生且廉价易得的碳一资源。在自然条件下，绿色植物的光合作用可转移相当量的CO₂，但剩余CO₂的量仍很多，且每天仍有大量二氧化碳通过煤、石油和天然气的燃烧排向大气。因此，减少CO₂的排放以及将CO₂转化为可再生燃料或者商业化学品，是当前环境与能源领域的研究热点，非常具有应用前景。但二氧化碳自身化学性质稳定，不易被转化、利用。自1870年以来，人们就企图寻找CO₂的高效、稳定的还原转化方法，如生物还原、热还原、光还原和电还原等。而电化学还原法是通过阴极和阳极等通电装置，在水溶剂或非水溶剂中利用电能将CO₂在阴极上转化为烃类、醇类、羧酸类、酯类等，同时OH^-在阳极上被氧化成氧气的一种技术，被认为是一种潜在的可高效获得有用工业化学品和液体燃料的方法。然而，此技术存在常温常压下电流密度低、产物选择性差、转化效率低、电极/催化剂易失活等缺陷。目前，CO₂电化学还原改进工作主要集中于新型催化剂、反应条件以及电化学反应器等方面的探索，其中新型催化剂的研制是比较简单有效的方法之一。

至今为止，被开发的CO₂电化学还原催化剂从大类上大致可分为金属和非金属催化剂两大类。前期的研究主要集中于金属催化剂的研制，包括贵金属、金属单质、金属化合物、合金、有机金属络合物等，但金属催化剂存在稀缺昂贵、污染严重、易于中毒失活等局限性，近年来非金属催化剂逐渐受到研究者的关注。

另外一方面，动物骨头作为人们日常生活中产生的一类固体废弃物，每天的产生量都相对较大。在我国，动物骨头一般直接跟餐厨垃圾一起堆肥制成肥料处理。而且动物骨头因为富含磷，前期作为磷肥在园艺产品中得到广泛使用，但是动物骨头中的磷大部分是植物不可吸收利用的磷，因而人们逐渐对此失去了兴趣。前期研究者研究表明，动物骨头中富含Ca、P等杂原子，而此类杂原子是催化二氧化碳电化学还原的有效活性位点，因而以动物骨头为原料制备生物炭用于催化二氧化碳电化学还原具有重大的研究意义。

发明内容

本发明提供了一种骨头基生物炭的制备方法及其在催化二氧化碳电化学还原中的应用，本发明以动物骨头为原料制备出电化学活性面积大、比表面积大、导电性能好、表面官能团丰富且具有Ca和P等杂原子原位掺杂的生物炭材料，用于催化二氧化碳的电化学反应过程，上述材料表现出高效的催化活性和稳定性。

本发明的目的是提出了一种骨头基生物炭制备方法，包括以下步骤：

（1）原料预处理：将动物骨头去离子水清洗干净，于烘箱中60℃过夜干燥，干燥后的固体粉碎至1~3cm粒径大小；

（2）水热预碳化：将步骤（1）所得的固体粉末和0.1 mol/L的硝酸钙溶液至于水热反应釜中，将反应釜密封后至于烘箱中加热进行水热预碳化，待反应釜冷却至室温后过滤出固体，清洗烘干；